Разработка моделей надежности функционирования системы электроснабжения

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КАК СЛОЖНОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С БОЛЬШИМ ЧИСЛОМ СОСТОЯНИЙ

ЛЕКЦИЯ №3

Время: 2 часа

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Рассмотреть надежность системы электроснабжения как сложной технической системы с большим числом состояний, познакомиться с разработкой моделей надежности функционирования системы электроснабжения и изучить методы обеспечения и повышения ее надежности.

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:

ВВЕДЕНИЕ – 5 мин.

1. АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КАК СЛОЖНОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С БОЛЬШИМ ЧИСЛОМ СОСТОЯНИЙ – 20 мин.

2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ – 20 мин.

3. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ СИСТЕМ. АБСОЛЮТНО НАДЕЖНЫЕ СИСТЕМЫ – 5 мин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин.

ЛИТЕРАТУРА

Система электроснабжения является сложной системой, включающей в себя большое количество различных элементов и устройств. Кроме этого, в процессе технической эксплуатации системы электроснабжения используется большое количество машин, приборов и механизмов. Существенную роль играют люди, участвующие в обеспечении жизненного цикла системы электроснабжения, начиная от ее проектирования до момента снятия с эксплуатации. В результате система электроснабжения, как сложная техническая система, с точки зрения надежности характеризуется следующими основными свойствами:

- большое количество функционально связанных между собой элементов;

- наличие естественной и искусственной избыточности;

- многофункциональность;

- восстанавливаемость;

- неоднозначность понятия «отказ»;

- неодновременность работы элементов.

В соответствии с этими свойствами, основными характеристиками такой системы, определяемыми ее надежностью, являются качество, эффективность, безопасность, живучесть, риск, готовность и долговечность.

Для обеспечения высокой надежности системы электроснабжения как сложной технической системы необходимо решить ряд задач, таких как:

- научное обоснование критериев и показателей надежности системы электроснабжения;

- разработка моделей обеспечения надежности функционирования системы электроснабжения и алгоритмов их практической реализации;

- разработка инженерных методов анализа надежности устройств системы электроснабжения на всех этапах их жизненного цикла;

- практическое обеспечение высокой надежности системы электроснабжения.

Как было отмечено выше для системы электроснабжения, как сложной многофункциональной системы, не существует единственного критерия, достаточно полно характеризующего ее надежность. Анализ необходимых свойств системы электроснабжения, таких как ее качество, эффективность, безопасность, живучесть, риск, готовность и долговечность позволяет выделить основные критерии, описывающие надежность как комплексное свойство.

Так, например, для достижения заданной эффективности системы необходимо гарантировать определенное значение вероятности безотказной работы, для обеспечения долговечности – среднее время безотказной работы, для обеспечения готовности – определенное значение коэффициента готовности.

Мы знаем, что все критерии надежности связаны между собой строгими математическими зависимостями, по этому, задавая требования на множество критериев необходимо эти зависимости учитывать. Если этого не делать, то между заданными характеристиками возникнут очевидные противоречия.

Пример. Время безотказной работы питающего зажима контактной сети подчинено экспоненциальному закону. Для обеспечения заданной эффективности работы зажима зададим на интервале времени 8760 часов (1 год) значение вероятности безотказной работы Р(t) = 0,9571, а для обеспечения долговечности питающего зажима зададим значение среднего времени безотказной работы Т₁ = 100000 часов.

Для экспоненциального закона вероятность безотказной работы Р(t) = е ^-λ·t. Подставляя заданные значения, получим равенство 0,9571= е ^-λ·100000. Находим величину интенсивности отказов λ = 5·10^-6 час. По этой величине определим среднее время безотказной работы T₁ = 1/λ = 200000 часов.

Данный пример показывает, что значения критериев надежности питающих зажимов Р(t) и T₁ в данном случае были заданы неправильно.

Техногенный риск системы электроснабжения, как сложной технической системы определяется, как:

R(t) = ,

где r_i - риск при возникновении отказа i-го типа; q_i(t) – вероятность отказа i-го типа.

Анализ выражения для определения величины R(t) показывает, что для снижения техногенного риска необходимо не только повышать вероятность безотказной работы элементов системы, но и уменьшать величину риска при возникновении каждого отказа i-го типа. В противном случае, даже высокая надежность не обеспечит снижение техногенного риска.

В настоящее время для решения задачи выбора критериев надежности системы электроснабжения, как сложной технической системы рекомендуется использовать выражение:

Z = ,

где Z – обобщенный критерий надежности; Ri – i-й критерий; Сi – коэффициент значимости i-го критерия; k- число критериев, полностью характеризующих контактную сеть с точки зрения ее надежности.

Современные модели надежности функционирования системы электроснабжения имеют ряд недостатков. В ряде случаев они не учитывают неодновременность работы элементов системы электроснабжения, наличие последствий отказов, естественную избыточность, возможность реализации структурного резервирования, не обеспечивают требуемую точность расчетов. Большинство моделей также не учитывает человеческий фактор, как активный элемент, влияющий на надежность контактной сети.

На практике в большинстве случаев вычисление показателей надежности системы электроснабжения выполняется при помощи выражений:

Р(t) = е ^-λ·t; T₁ = 1/λ.

Величина интенсивности отказов системы электроснабжения как системы λ определяется, как:

λ = ,

где λ_i - интенсивность отказов i-го участка системы электроснабжения, условно разбитой на n типовых участков.

Однако видно, что выражение для определения интенсивности отказов λ не учитывает тот факт, что величина одновременно работающих типовых системы электроснабжения сети n является функцией времени, т.е. n = f(t).

При определении величины λ не учитываются особенности резервированных систем, а также особенности надежности ремонтируемых систем. Так, отказ резервных элементов неизбежно приводит к увеличению интенсивности отказов оставшихся исправных элементов, а интенсивность отказов отремонтированных элементов отличается от интенсивности отказов элементов до ремонта.

Необходимо также отметить, что для системы электроснабжения возможность резервирования отдельных элементов ограничена конструктивными особенностями их исполнения.

Неодновременность работы элементов системы электроснабжения ведет к тому, что интенсивность отказов системы в целом не может быть постоянной величиной, даже при постоянной интенсивности отказов ее отдельных элементов. Отсюда можно сделать вывод, что экспоненциальный закон распределения времени безотказной работы для системы электроснабжения, как сложной системы приводит к большим погрешностям оценки ее надежности.

В системе электроснабжения могут возникать все возможные типы отказов – внезапные, постепенные и перемежающиеся. Существующие модели предполагают независимость этих типов отказов друг от друга. На практике это допущение не соблюдается. Так, например, при старении элементов системы электроснабжения и их износе коэффициент нагрузки на эти элементы возрастает, а следовательно возрастает и вероятность внезапных отказов.

Важной проблемой является получение адекватных данных о показателях надежности системы электроснабжения из эксплуатации. Отсутствие достаточного набора данных не позволяет при проектировании новых элементов осуществлять точное вычисление показателей их надежности. Следовательно, и показатели надежности вновь проектируемой системы электроснабжения являются весьма приблизительными.

Существующие экспоненциальные модели надежности функционирования контактной сети позволяют выполнять сравнительную оценку различных схемных и элементных решений. Но они не дают возможность получить данные о надежности системы в виде точного числа.

Дальнейшее совершенствование моделей надежности функционирования системы электроснабжения идет по пути моделирования собственного времени работы системы, учету наличия последствий отказов, возможности резервирования и обеспечения заданной точности расчетов.

Дата добавления: 2014-01-07